一种风电叶片的结构件及风电叶片壳体的制备方法与流程

1.本发明涉及风电叶片设计及制造技术领域，具体涉及一种风电叶片的结构件及风电叶片壳体的制备方法。


背景技术：

2.风电叶片的主承载结构是由板材(即纤维增强树脂复合材料拉挤板材)制作而成，包含叶片主梁和后缘辅梁。主承载结构之间使用芯材填充，现有的风电叶片壳体的芯材主要材料为balsa木、pet和pvc，是非主承载结构，主要用于抗屈曲。增加芯材厚度是提高抗屈曲能力最有效的方法。
3.随着叶片长度及载荷的提高，叶片壳体芯材的设计厚度增加，现有的技术中带来了两个问题：一、芯材厚度太大，叶片生产时树脂灌注存在问题，造成叶片质量问题；二、芯材用量增加较多，而芯材的价格高且供应链不稳定，造成叶片总成本提高幅度较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了提供一种风电叶片的结构件及风电叶片壳体的制备方法。旨在解决现有技术中叶片壳体芯材设计厚度增加带来的树脂灌注问题和成本增加问题。
5.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一方面，本发明提供了一种风电叶片的结构件，该结构件铺设于风电叶片的主承载结构之间，包括：第一侧壁、与所述第一侧壁相对设置的第二侧壁、与所述第一侧壁和所述第二侧壁均相邻设置的第三侧壁、与所述第三侧壁相对设置的第四侧壁，所述第四侧壁与所述第一侧壁和所述第二侧壁均相邻设置，
7.所述结构件的横截面上所述第三侧壁和所述第四侧壁均为一圆弧，两个所述圆弧的弧向一致，
8.所述第一侧壁和所述第二侧壁在同一延伸方向上的延伸面具有一夹角；
9.所述结构件整体呈两端封闭的长条状六面体结构，且其内部中空。
10.优选的，所述夹角的角度x的取值范围为：0.5
°
≤x≤2.5
°
。
11.优选的，所述第一侧壁至第四侧壁中的至少一个侧壁上间隔开设有若干个凹槽。
12.优选的，若干个所述凹槽间隔开设在所述第一侧壁和所述第二侧壁上，每一所述凹槽沿对应的所述第一侧壁和所述第二侧壁的高度方向延伸。
13.优选的，所述结构件横截面的四个顶角处分别设有一倒角。
14.优选的，所述圆弧面的截面为一圆弧，所述圆弧的半径根据叶片模具的曲率进行设计，所述叶片模具的曲率越小，则所述圆弧的半径越大。
15.优选的，所述圆弧的半径大于等于d/2，其中d为叶片叶根圆半径。
16.优选的，还包括若干个肋筋，其设置在所述结构件内部。
17.优选的，所述结构件采用玻璃纤维纱束通过拉挤工艺形成。
18.一方面，本发明还提供了一种风电叶片的结构件的制备方法，所述结构件的制备
方法包括：
19.步骤s1：根据上述结构件的设计图纸，制造所述结构件的模具；
20.步骤s2：根据所述结构件的模具，利用拉挤工艺，制造拉挤玻纤复合材料的所述六面体结构的四个侧壁，形成拉挤结构件；
21.步骤s3：将所述拉挤结构件的两端进行封边，形成空心的所述六面体结构即为所述结构件；
22.优选的，根据上述的风电叶片的机构件的设计图纸制造所述结构件的模具，在所述拉挤结构件出所述模具后未完成固化的位置添加所述凹槽的制造工装，形成所述凹槽。
23.另一方面，本发明还提供了一种风电叶片壳体的制备方法，包括：
24.步骤t1：预先获取叶片壳体模具，以及若干个上述的结构件；
25.步骤t2：在所述叶片壳体模具中铺设复合材料织物布层；
26.步骤t3：在叶片芯材区域内铺设相同的若干个所述结构件；
27.步骤t4：完成所述叶片所有铺层后进行树脂灌注，树脂固化后形成叶片壳体。
28.优选的，铺设的所述结构件的长度方向与所述叶片的长度方向一致或趋于一致。
29.本发明还提供了一种风电叶片，该风电叶片的壳体应用上述的风电叶片壳体的制备方法制备而成。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.本发明提供一种结构件代替现有技术中的大厚度叶片壳体芯材balsa，大幅降低叶片芯材重量；有效的降低了叶片成本，叶片芯材区域的抗屈曲能力大幅提高，叶片长度方向模量大幅度提高，由于模量与抗屈曲强度成正比，因此相应的抗屈曲强度也能大幅度提高；工艺性较好，具有弧度的表面可保证结构件与叶片模具表面贴合较好，沟槽和凹槽的设计，形成叶片树脂灌注流道，具有较好的工艺性。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
33.图1为本发明一实施例提供的一种风电叶片的结构件的截面图；
34.图2为本发明一实施例提供的结构件第一侧壁的凹槽；
35.图3为本发明一实施例提供的结构件拼接长度方向沟槽示意图；
36.图4为本发明一实施例提供的两个结构件铺设后的俯视图；
37.图5为本发明一实施例提供的两结构件拼接后a处凹槽示意图；
38.图6为本发明一实施例提供的替代芯材的结构件在壳体中铺设示意图；
39.附图标记说明：1
‑
结构件，101
‑
凹槽，102
‑
沟槽。
具体实施方式
40.以下结合附图1
‑
6和具体实施方式对本发明提出的风电叶片的结构件及风电叶片壳体的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本
发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
41.鉴于现有技术中叶片芯材的不足，为了解决现有技术中的叶片壳体芯材设计厚度增加带来的树脂灌注问题和成本增加问题。
42.本实施例提供了一种风电叶片的结构件，该结构件铺设于风电叶片的主承载结构之间，用于替代现有的铺设于风电叶片主承载结构之间的叶片芯材，包括：第一侧壁、与所述第一侧壁相对设置的第二侧壁、与所述第一侧壁和所述第二侧壁均相邻设置的第三侧壁、与所述第三侧壁相对设置的第四侧壁，所述第四侧壁与所述第一侧壁和所述第二侧壁均相邻设置，
43.所述结构件的横截面上所述第三侧壁和所述第四侧壁均为一圆弧，两个所述圆弧的弧向一致，避免出现所述第三侧壁和所述第四侧壁沿长度方向为弧形的情况。
44.所述第一侧壁和所述第二侧壁在同一延伸方向上的延伸面具有一夹角；所述结构件整体呈两端封闭的长条状六面体结构，且其内部中空。
45.所述夹角的角度x，其较优的取值范围为：0.5
°
≤x≤2.5
°
，所述第三侧和所述第四侧为圆弧面，所述第一侧壁和所述第二侧壁在同一延伸方向上的延伸面具有一夹角，使得六面体结构的横截面的外轮廓呈一扇环状，便于所述结构件的拼接。
46.所述第一侧壁至所述第四侧壁中的至少一个侧壁上间隔开设有若干个凹槽。
47.如图2所示，在本实施例中，若干个所述凹槽间隔开设在所述第一侧壁和所述第二侧壁上，每一所述凹槽沿对应的第一侧壁和第二侧壁的高度方向延伸。
48.所述结构件横截面的四个顶角处分别设有一倒角，本实施例中，倒角设计为倒圆角，两个所述结构件1拼接时，倒圆角沿长度方向形成沟槽102，用于叶片树脂灌注时树脂在长度方向的流动。
49.所述圆弧面的截面为一圆弧，所述圆弧的半径根据叶片模具的曲率进行设计，所述叶片模具的曲率越小，则所述圆弧的半径越大。
50.所述圆弧的半径大于等于d/2，其中d为叶片叶根圆半径。
51.所述结构件还包括若干个肋筋，其设置在所述结构件内部。
52.所述结构件采用玻璃纤维纱束通过拉挤工艺形成。
53.一方面，本实施例还提供了一种风电叶片的结构件的制备方法，所述结构件的制备方法包括：
54.步骤s1：根据上述结构件的设计图纸，制造所述结构件的模具；
55.步骤s2：根据所述结构件的模具，利用拉挤工艺，制造拉挤玻纤复合材料的所述六面体结构的四个侧壁，形成拉挤结构件，在所述拉挤结构件出所述模具后未完成固化的位置添加所述凹槽的制造工装，形成所述凹槽；
56.步骤s3：将所述拉挤结构件的两端进行封边，形成空心的所述六面体结构即为所述结构件；
57.另一方面，本实施例还提供了一种风电叶片壳体的制备方法，包括：
58.步骤t1：预先获取叶片壳体模具，以及若干个上述的结构件；
59.步骤t2：在所述叶片壳体模具中铺设复合材料织物布层；
60.步骤t3：在叶片芯材区域内铺设相同的若干个所述结构件；
61.步骤t4：完成所述叶片所有铺层后进行树脂灌注，树脂固化后形成叶片壳体。
62.铺设的所述结构件的长度方向与所述叶片的长度方向一致或趋于一致。
63.本发明还提供了一种风电叶片，该风电叶片的壳体应用上述的风电叶片壳体的制备方法制备而成。
64.利用如图1所示截面拉伸形成的空心结构件1代替叶片壳体芯材。
65.其中，如图1所示的截面具有以下特征：一、边a和边b为圆弧线，且圆弧的半径根据叶片模具的曲率进行设计，较优地，半径在d/2至d之间，d为叶片叶根圆直径。边a和边b为弧度可使结构件1与叶片模具具有更好的贴合性，结构件1上的边a和边b与叶片模具趋于贴合，当结构件与叶片模具之间具有间隙时，可以用其他材料填充；二、边c和边d为直线，且边c和边d具有一定的夹角，较优地，夹角在0.5
°
至2.5
°
之间；使得截面的外轮廓呈一扇环状，便于所述结构件的拼接，三、四个边角点处具有倒圆角，四边角设有倒圆角，两个所述结构件1拼接时，沿长度方向形成沟槽102，便于叶片树脂灌注时树脂在长度方向的流动，结构件的厚度t在0.5mm至2mm之间，边c和边d的长度在8mm至50mm之间。
66.空心结构件1具有以下特征：一、结构件1为空心薄壁结构，四条边壁厚可以根据叶片屈曲强度需求进行设计，内部空心部分可根据强度添加肋筋设计；二、沿所述结构件长度方向延伸，每间隔一段距离设有沿高度方向的凹槽101，所述凹槽101的设置如图2所示；三、空心结构件1两端面封闭。
67.图2所示的结构件1可以为由拉挤工艺制造形成的玻纤复合材料，并添加高度方向凹槽101形成工艺及端面封孔工艺。
68.由图2所示的结构件1长度方向与叶片长度方向基本一致放置于叶片壳体芯材区域，弦向由相同的结构件1拼接而成，由图3、图4和图5所示。该结构件1拼接具有以下特征：一、由于截面角点处有倒角，可形成长度方向的沟槽102，所述沟槽102有利于叶片树脂灌注时树脂在长度方向的流动；二、具有高度方向的凹槽101，所述凹槽101有利用叶片树脂灌注时树脂在结构件厚度方向的流动。此外，由于该结构件1端面进行了封孔处理，叶片树脂灌注时树脂不会进入，保证了该结构的空心特征。
69.假设图1所示的截面尺寸边长a＝b＝80mm，边长c＝d＝40mm，厚度为1mm，用该结构件1代替40mm厚balsa木。
70.结构件1由玻璃纤维纱束通过拉挤工艺形成，玻璃纤维纱束复材的密度假定为ρ，模量假定为e，每kg价格为p。
71.可计算得到该结构件1截面等效模量约为0.075e，结构件1密度约0.075ρ。balsa木树脂灌注后密度约为0.15ρ，用在叶片上长度方向模量约为0.0026e。该结构件1替换芯材后，单位立方的价格为0.075ρp，而balsa木的单位立方价格约为0.2ρp。
72.由上述数据可知，利用该结构件1代替大厚度叶片壳体芯材balsa，可以达到以下效果：一、叶片芯材重量可以大幅下降，对于大厚度的balsa木芯材，利用该结构件1替换后，重量可以下降约50％；二、叶片成本降低，成本下降60％以上；三、叶片芯材区域的抗屈曲能力大幅提高，以上例子表明沿叶片长度方向模量可提高28倍以上，由于模量与抗屈曲强度
成正比，因此相应的抗屈曲强度也能大幅度提高；四、工艺性较好，具有弧度的表面可保证结构件1与叶片模具表面贴合较好，截面角点倒角形成的长度方向的沟槽102以及高度方向的凹槽101设计，形成叶片树脂灌注流道，具有较好的工艺性。
73.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
74.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
75.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
76.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
77.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。